Tak Japończycy zmieniali motoryzację. Wyprzedzili Niemców o 10 lat!

Zaostrzenie norm emisji spalin i pogoń za obniżeniem zużycie paliwa sprawiły, że producenci musieli znacznie udoskonalić konstrukcje benzynowych jednostek napędowych. Kamieniem milowym było zastosowanie bezpośredniego wtrysku paliwa, który przy zauważalnej poprawie osiągów, zdecydowanie zmniejszał apetyt samochodu na paliwo.

Od rynkowego debiutu tego wynalazku mija właśnie równe dwadzieścia lat. Mało kto pamięta, że rozwiązanie, które jest dziś wizytówką nowoczesnego silnika benzynowego, zrodziło się w głowie konstruktorów Mitsubishi. Pierwszym autem wyposażonym w bezpośredni wtrysk paliwa była - debiutująca w 1996 roku - Mitsubishi Carisma 1,8 l GDI.

W latach dziewięćdziesiątych większość samochodów poruszających się po europejskich drogach miała jednopunktowy wtrysk paliwa. Oznacza to, że - za pośrednictwem jednego wtryskiwacza - paliwo dawkowane było do kolektora dolotowego. Stamtąd, poprzez zawory dolotowe, mieszkanka trafiała do cylindrów. Rozwiązanie - z czasem - wyparte zostało przez wielopunktowy wtrysk. Zasada działania byłą identyczna, z tą równicą, że na każdy kanał dolotowy przypadał pojedynczy wtryskiwacz. Pozwalało to precyzyjniej sterować dawkami paliwa dla poszczególnych cylindrów, co w konsekwencji podnosiło moc i zmniejszało spalanie.

Oba te rozwiązania cechowała pewna wspólna wada - silniki musiały pracować na mieszance bliskiej stechiometrycznej. Oznacza to, że każdy litr paliwa musiał być - równomiernie - mieszany z 14-16 litrami powietrza. Obniżenie ilości paliwa w mieszance skutkowało wystąpieniem spalania stukowego i nagłym wzrostem temperatury, co znacznie obniżało żywotność silnika. W jaki sposób przystosować go do spalania uboższej mieszanki i - co za tym idzie - zmniejszyć zużycie paliwa?

Odpowiedzią okazało się rozwiązanie stosowane w jednostkach wysokoprężnych. Tam paliwo - pod wysokim ciśnieniem - wtryskiwane jest bezpośrednio do cylindra, a za jego odpowiednie zawirowanie odpowiada konstrukcja samego tłoka. Podobna zasada zastosowana została w przypadku - wynalezionego przez Mitsubishi - benzynowego silnika GDI (gasoline direct injection). Ten pracować mógł w dwóch trybach - oszczędnym (z mieszanką uwarstwioną) i normalnym (z mieszanką homogeniczną).

Zmiany nie ograniczyły się do samego układu wtryskowego. Niezbędna była też modyfikacja głowicy a nawet samych tłoków. Zastosowano pionowy kanał dolotowy, który był w stanie dostarczyć większą ilość powietrza i wymuszał jego konkretny ruch w cylindrze. Tłoki wyposażono w specjalnie zakrzywione denko, dzięki któremu wpadające do cylindra powietrze zostawało zawirowane w ściśle określony sposób. Do tego niezbędny był również - bardzo precyzyjny - sterowany elektronicznie wtryskiwać, który - w odpowiednim momencie - podawałby określoną dawkę paliwa. W przypadku klasycznego wtrysku (jedno bądź wielopunktowego) wtryskiwacze pracowały pod ciśnieniem około 3 barów. W silnikach z wtryskiem bezpośrednim było to - co najmniej - 50 barów!

Pomysł polegał na tym, by mieszanka paliwowo-powietrzna uzyskiwana była bezpośrednio w cylindrze, a nie w kolektorze dolotowym. Tam, dzięki precyzji wtryskiwacza i pracy odpowiednio ukształtowanego tłoka, paliwo z powietrzem zawirowywane było w taki sposób, by powstała mieszanka uwarstwiona. Oznacza to, że w okolicy świecy, gdzie następuje zapon, mamy do czynienia z optymalną mieszanką ułatwiającą spalanie. W pozostałej części cylindra znajduje się jednak mieszanka uboga, która spala się gorzej. Takie rozwiązanie - nieznacznie - pogarsza osiągi, ale zdecydowanie zmniejsza zużycie paliwa. W skrajnych przypadkach stosunek paliwa do powietrza (bez szkody dla silnika) wynosić może nawet 1:65 (w przypadku pierwszego silnika 1,8 GDI było to między 1:30 a 1:40). Dla porównania mieszanka stechiometryczna to ok 1:14,7. Oszczędności mogą więc być ogromne!

Inżynierowie Mitsubishi stanęli jednak przed problemem uzyskania odpowiednio wysokich osiągów. Ten rozwiązano stosując komputer sterujący, który odpowiadał za dobór pracy wtryskiwaczy. W normalnych warunkach przy niskich i średnich prędkościach obrotowych stosowany był tryb "oszczędny" i mieszanka uwarstwiona. Gdy kierowca zgłaszał pełne zapotrzebowanie na moc wtryskiwacze - pod koniec suvu sprężania - wykonywały dodatkowe wtryśnięcie paliwa. Dzięki temu wewnątrz cylindra uzyskiwana byłą mieszanka homogeniczna, czyli równie bogata w całej swej objętości.

Przekładając z naukowego na nasz: paliwo "lało się strumieniami", tylko wówczas, gdy wciskaliśmy gaz w podłogę. Jadąc spokojnie poszczególne cylindry - całkiem dosłownie - pracowały "o kropelce".

Warto dodać, że opracowana przez Japończyków w połowie lat dziewięćdziesiątych technologia mocno wyprzedziła swoje czasy. Europejscy producenci na dobre przekonali się do niej dopiero w dekadę po premierze Mitsubishi Carismy!

PR